สรุปสั้นๆ

การตีขึ้นรูปบัสแบร์ทองแดงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าเป็นกระบวนการผลิตที่สำคัญ ซึ่งเปลี่ยนโลหะผสมทองแดงที่นำไฟฟ้าได้ดีให้กลายเป็นชิ้นส่วนจ่ายพลังงานที่มีความแม่นยำ จำเป็นต่อชุดแบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และขับเคลื่อนมอเตอร์ในรถยนต์ไฟฟ้า ต่างจากสายไฟทั่วไป บัสแบร์ที่ขึ้นรูปด้วยการตีสามารถรองรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าได้ดีกว่า มีค่าเหนี่ยวนำต่ำกว่า และมีความมั่นคงทางกลที่แข็งแกร่งภายใต้การสั่นสะเทือน วิศวกรโดยทั่วไปจะเลือกใช้ทองแดงชนิด C11000 (ETP) หรือ C10100 (ไร้ออกซิเจน) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าสูงสุด (สูงถึง 101% IACS) พร้อมใช้กระบวนการตีขึ้นรูปแบบได้คืบหน้า (progressive die stamping) เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำและประหยัดต้นทุนเมื่อผลิตจำนวนมาก บัสแบร์ที่ถูกตีขึ้นรูปและฉนวนอย่างถูกต้องมีความสำคัญต่อการจัดการภาระความร้อนจากแรงดันสูง (400V–800V) ที่มีอยู่ในระบบขับเคลื่อนไฟฟ้ายุคใหม่

ข้อสรุปสำคัญ:

• วัสดุ: C11000 เป็นมาตรฐาน; C10100 ถูกแนะนำมากกว่าสำหรับการประยุกต์ใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการบัดกรีหรือการเชื่อม
• กระบวนการ: การตีขึ้นรูปแบบได้คืบหน้า (progressive die stamping) ให้ความสม่ำเสมอสูงสุดสำหรับการผลิตจำนวนมาก
• การกันหนาว: การเคลือบผงอีพ็อกซี่ให้ความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับโมดูลแบตเตอรี่แบบกะทัดรัด

การเลือกวัสดุบัสบาร์สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า: C11000 เทียบกับ C10100

การเลือกระดับทองแดงที่เหมาะสมคือการตัดสินใจพื้นฐานในการออกแบบบัสบาร์สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า แม้ว่าอลูมิเนียมจะได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเพื่อลดน้ำหนักในชิ้นส่วนโครงสร้าง แต่ทองแดงยังคงเป็นมาตรฐานอันดับหนึ่งสำหรับระบบจ่ายไฟแรงดันสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความร้อนที่เหนือกว่า

C11000 (Electrolytic Tough Pitch - ETP) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับบัสบาร์แบบสเตมป์ส่วนใหญ่ มีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ที่ 100-101% IACS (International Annealed Copper Standard) ทำให้มีประสิทธิภาพสูงในการส่งกระแสไฟฟ้าโดยมีความต้านทานต่ำ อย่างไรก็ตาม C11000 มีออกซิเจนในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งอาจทำให้วัสดุเปราะได้หากบัสบาร์ผ่านกระบวนการบัดกรีด้วยไฮโดรเจนหรือการเชื่อมที่อุณหภูมิสูง

C10100/C10200 (Oxygen-Free Copper - OFE/OF) ถูกกำหนดให้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับระบบเชื่อมต่อแบตเตอรี่ EV ที่ซับซ้อน ซึ่งต้องการการเชื่อมหรือบัดกรีเป็นจำนวนมาก โดยการลดปริมาณออกซิเจนในเนื้อโลหะเกือบเป็นศูนย์ ทำให้วัสดุเหล่านี้ป้องกันการเกิดไอน้ำภายในโครงสร้างโลหะระหว่างการให้ความร้อน จึงรับประกันความแข็งแรงของข้อต่อ ในงานออกแบบโมดูลแบตเตอรี่ที่มีพื้นที่จำกัด การเลือกใช้ทองแดงชนิดไร้ออกซิเจนที่มีต้นทุนสูงกว่าเล็กน้อย มักคุ้มค่าเมื่อพิจารณาจากความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีเยี่ยมและความน่าเชื่อถือของข้อต่อ

กระบวนการตัดขึ้นรูป: แม่พิมพ์โปรเกรสซีฟเทียบกับการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC

การผลิตบัสบาร์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าต้องอาศัยความสมดุลระหว่างความแม่นยำ ความเร็ว และความสามารถในการขยายกำลังการผลิต การเลือกระหว่างการตัดขึ้นรูปแบบแม่พิมพ์โปรเกรสซีฟและการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC ขึ้นอยู่กับปริมาณการผลิตและระดับความซับซ้อนของดีไซน์เป็นหลัก

การปั๊มแบบก้าวหน้า เป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมสำหรับการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าจำนวนมาก (โดยทั่วไป 10,000 คันขึ้นไป) ในกระบวนการนี้ แถบโลหะทองแดงจะถูกป้อนผ่านสถานีต่างๆ หลายจุดในแม่พิมพ์เดียว โดยแต่ละสถานีจะทำหน้าที่เฉพาะอย่าง เช่น การเจาะ การทุบให้แน่น การดัด หรือการกัดกร่อน พร้อมกันไปในทุกขั้นตอน ซึ่งช่วยให้ได้ชิ้นส่วนที่สมบูรณ์ออกมาทุกครั้งที่เครื่องกดทำงาน การขึ้นรูปแบบโปรเกรสซีฟสามารถควบคุมค่าความคลาดเคลื่อนได้อย่างแม่นยำมาก (มักอยู่ที่ +/- 0.05 มม.) และมีความสม่ำเสมอสูง ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับสายการประกอบแพ็คแบตเตอรี่ที่ใช้ระบบอัตโนมัติ

และกลับกัน การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตต้นแบบและการผลิตจำนวนน้อย โดยใช้เครื่องพับไฮดรอลิกในการดัดแผ่นโลหะที่ตัดเตรียมไว้แล้ว ถึงแม้จะมีความยืดหยุ่น แต่ก็ขาดความเร็วและประสิทธิภาพด้านต้นทุนต่อหน่วยเมื่อเทียบกับแม่พิมพ์แบบแข็ง โดยทั่วไป ผู้ผลิตควรเลือกใช้พันธมิตรที่สามารถรองรับทั้งวงจรชีวิตของการผลิตได้ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ให้บริการโซลูชันการตัดขึ้นรูปอย่างครบวงจรที่เชื่อมช่องว่างระหว่างการผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็วไปสู่การผลิตจำนวนมาก ด้วยความสามารถของเครื่องกดสูงสุดถึง 600 ตัน และการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 ทำให้ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่สามารถตรวจสอบและยืนยันการออกแบบได้อย่างรวดเร็วก่อนขยายการผลิตเป็นหลายล้านชิ้น โดยไม่ลดทอนความแม่นยำ

ข้อได้เปรียบหลักของการตัดขึ้นรูปเมื่อเทียบกับการกลึง ได้แก่:

• ประสิทธิภาพการใช้วัสดุ: การตัดขึ้นรูปช่วยลดของเสีย ซึ่งเป็นปัจจัยต้นทุนสำคัญเมื่อทำงานกับทองแดง
• การเพิ่มความแข็งจากการขึ้นรูป: แรงกระแทกทางกายภาพจากการตัดขึ้นรูปสามารถทำให้ทองแดงเกิดการเพิ่มความแข็ง (Work Hardening) ส่งผลให้ชิ้นส่วนสุดท้ายมีความแข็งแรงทางกลมากขึ้น
• ความเร็ว: แม่พิมพ์โปรเกรสซีฟสามารถผลิตชิ้นส่วนได้หลายร้อยชิ้นต่อนาที ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านปริมาณการผลิตของโรงงานระดับกิกาแฟคทอรี

ฉนวนและการเคลือบ: ข้อได้เปรียบของการเคลือบผง

ในสถาปัตยกรรม EV แรงดันสูง (มักอยู่ที่ 400V ถึง 800V ขึ้นไป) การฉนวนบัสบาร์ทองแดงที่ขึ้นรูปเป็นคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่สำคัญมาก บัสบาร์ที่ไม่มีฉนวนจะก่อให้เกิดความเสี่ยงจากการอาร์กไฟได้อย่างรุนแรง โดยเฉพาะในพื้นที่จำกัดของชุดแบตเตอรี่ แม้ว่าจะใช้ท่อหดความร้อนหรือการจุ่ม PVC เป็นวิธีการแบบดั้งเดิม Epoxy powder coating ได้ปรากฏขึ้นเป็นทางแก้ปัญหาที่เหนือกว่าสำหรับรูปร่างที่ขึ้นรูปซับซ้อน

การเคลือบผงเกี่ยวข้องกับการพ่นผงแห้ง—โดยปกติเป็นชนิดอีพอกซีหรือโพลีเอสเตอร์—ด้วยประจุไฟฟ้าสถิต จากนั้นอบด้วยความร้อนเพื่อให้เกิดชั้นฟิล์มต่อเนื่องและทนทาน ต่างจากท่อหดความร้อนที่อาจย่นหรือทิ้งช่องว่างอากาศไว้ตามแนวโค้งคม ซึ่งการเคลือบผงจะยึดติดกับพื้นผิวโลหะโดยตรง ส่งผลให้ไม่มีช่องว่างอากาศที่อาจเกิดการปล่อยประจุบางส่วน (corona) นอกจากนี้ การเคลือบผงยังช่วยควบคุมความหนาของชั้นเคลือบได้อย่างแม่นยำ (โดยทั่วไป 0.1 มม. ถึง 0.5 มม.) ทำให้มีความต้านทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูง (มักมากกว่า 800V ต่อ mil) โดยไม่เพิ่มขนาดที่ไม่จำเป็น

เปรียบเทียบวิธีการฉนวน

• การเคลือบผงอีพอกซี: เหมาะที่สุดสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน ทนความร้อนได้ดี และมีความต้านทานเชิงฉนวนที่สม่ำเสมอ
• ท่อหดความร้อน: เหมาะสมกับการใช้งานในแนวตรง แต่ยากต่อการติดตั้งในจุดที่ต้องโค้งหลายแกน; การกระจายความร้อนต่ำกว่า
• พีวีซีดิป: คุ้มค่าทางต้นทุน แต่มีค่าการทนความร้อนต่ำกว่า (โดยทั่วไปจำกัดที่ 105°C) เมื่อเทียบกับอีพอกซี่ (130°C ขึ้นไป)

ความท้าทายในการออกแบบ: ความร้อน การสั่นสะเทือน และแรงเหนี่ยวนำ

การออกแบบบัสแบร์จากทองแดงแบบตัดขึ้นรูปสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าไม่ใช่เพียงแค่การเชื่อมต่อจุด A กับจุด B เท่านั้น วิศวกรต้องแก้ปัญหาทางกายภาพที่ซับซ้อน ซึ่งมีลักษณะเฉพาะในสภาพแวดล้อมของยานยนต์

การจัดการความร้อนและการเกิด Skin Effect: เมื่อมีกระแสไหลผ่าน จะเกิดความร้อนขึ้น (สูญเสียจาก I²R) ในแอปพลิเคชันที่มีการสลับความถี่สูง เช่น อินเวอร์เตอร์ 'ปรากฏการณ์ skin effect' จะทำให้กระแสไฟฟ้ารวมตัวอยู่บริเวณผิวของตัวนำ ส่งผลให้ความต้านทานที่แท้จริงเพิ่มขึ้น บัสแบร์แบบตัดขึ้นรูปที่มีลักษณะหน้าตัดกว้างและแบนจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิว ซึ่งช่วยทั้งการระบายความร้อนและลดความต้านทานในความถี่สูง เมื่อเปรียบเทียบกับสายเคเบิลกลม

ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือน: ยานพาหนะไฟฟ้า (EV) ทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ ถูกกระทำด้วยแรงสั่นสะเทือนจากถนนอย่างต่อเนื่อง บัสบาร์ทองแดงแบบแข็งอาจเกิดความล้าและแตกร้าวที่จุดเชื่อมต่อหากไม่มีการลดแรงสั่นสะเทือนอย่างเหมาะสม แนวทางแก้ไขรวมถึงการออกแบบลูปขยายตัวแบบยืดหยุ่น (โดยใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงแบบชั้นบาง) หรือการใช้ขั้วต่อชนิดยืดหยุ่นแบบกดอัด (compliant pin press-fit connections) ที่สามารถดูดซับแรงเครียดได้

การออกแบบเพื่อลดค่าเหนี่ยวนำต่ำ: เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอิเล็กทรอนิกส์กำลังในยานพาหนะไฟฟ้า (EV) การลดค่าเหนี่ยวนำรั่ว (stray inductance) ให้น้อยที่สุดถือเป็นสิ่งสำคัญ การนำบัสบาร์ด้านบวกและด้านลบมาประกบกันแบบชั้นบางพร้อมชั้นฉนวนบางๆ (สร้างเป็น "บัสบาร์แบบชั้น") จะช่วยหักล้างสนามแม่เหล็กซึ่งกันและกัน ส่งผลให้ค่าเหนี่ยวนำลดลงอย่างมาก และช่วยปกป้องทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตแบบฉนวน (IGBTs: Insulated-Gate Bipolar Transistors) ที่ไวต่อแรงดันไฟฟ้ากระชาก

มาตรฐานคุณภาพ: IATF 16949 และอื่นๆ

ห่วงโซ่อุปทานอุตสาหกรรมยานยนต์ต้องการความเข้มงวดในการปฏิบัติตามมาตรฐานคุณภาพ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ สำหรับผู้ผลิตบัสบาร์ IATF 16949 การรับรองคือข้อกำหนดพื้นฐาน มาตรฐานนี้ก้าวไปไกลกว่าการจัดการคุณภาพ ISO 9001 โดยมุ่งเน้นความต้องการเฉพาะของอุตสาหกรรมยานยนต์ เช่น การป้องกันข้อบกพร่องและการลดความแปรปรวนในห่วงโซ่อุปทาน

การตรวจสอบคุณภาพที่สำคัญสำหรับบัสบาร์ที่ขึ้นรูปด้วยการตัดรวมถึง:

• PPAP (กระบวนการอนุมัติชิ้นส่วนการผลิต) กระบวนการตรวจสอบอย่างเข้มงวด เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการผลิตสามารถผลิตชิ้นส่วนได้อย่างสม่ำเสมอและเป็นไปตามข้อกำหนดทางวิศวกรรมทั้งหมด
• การทดสอบแรงดันไฟฟ้าสูง (Hi-Pot Testing): การทดสอบแรงดันไฟฟ้าสูงจะตรวจสอบความสมบูรณ์ของฉนวน โดยการประยุกต์ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันการทำงานมาก เพื่อให้มั่นใจว่าจะไม่เกิดการแตกตัว
• พื้นผิวเรียบปราศจากเศษโลหะ (Burr-Free Finishes): การตัดขึ้นรูปอาจทิ้งขอบคม (เศษโลหะ) ไว้ ในแอปพลิเคชันแรงดันสูง เศษโลหะทำหน้าที่เป็นจุดรวมความเครียดทางไฟฟ้า ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดอาร์กไฟฟ้าได้ ดังนั้นขั้นตอนหลังการตัด เช่น การกำจัดเศษโลหะด้วยเครื่องจักรและการขัดเงาด้วยไฟฟ้า จึงเป็นสิ่งจำเป็น

ออกแบบอนาคตแห่งพลังงาน EV

การเปลี่ยนผ่านสู่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าขึ้นอยู่กับโครงสร้างพื้นฐานที่มองไม่เห็นของระบบจ่ายพลังงาน นั่นคือ บัสบาร์ทองแดงที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูป โดยการพัฒนาจากแผ่นโลหะธรรมดา ไปสู่ชิ้นส่วนที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม มีฉนวนหุ้ม และถูกตีขึ้นรูปด้วยความแม่นยำ ทำให้ผู้ผลิตสามารถรับประกันความปลอดภัย ระยะทางการขับขี่ และอายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้าได้ ไม่ว่าจะใช้ทองแดงเกรด C10100 สำหรับแพ็กที่เชื่อมด้วยการเชื่อม หรือใช้เทคโนโลยีการเคลือบผงขั้นสูงเพื่อความปลอดภัยด้านไดอิเล็กทริก ตัวเลือกที่ถูกกำหนดในขั้นตอนการออกแบบและตีขึ้นรูปจะส่งผลต่อวงจรชีวิตทั้งหมดของรถคันนั้น

สำหรับเจ้าหน้าที่จัดซื้อและวิศวกร เป้าหมายมีความชัดเจน นั่นคือ การร่วมมือกับผู้ผลิตที่เข้าใจไม่เพียงแค่เรขาคณิตของการตีขึ้นรูป แต่ยังเข้าใจหลักฟิสิกส์ของการทำให้เป็นระบบไฟฟ้า การสร้างห่วงโซ่อุปทานที่รับประกันคุณภาพตามมาตรฐาน IATF 16949 และสามารถขยายขนาดได้ตั้งแต่ต้นแบบไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก คือก้าวสุดท้ายในการนำพา EV สมรรถนะสูงออกสู่ตลาด

คำถามที่พบบ่อย

1. ทองแดงเกรดใดดีที่สุดสำหรับบัสบาร์ในรถยนต์ไฟฟ้า?

สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ C11000 (ETP) เป็นทางเลือกที่ดีที่สุดเนื่องจากมีการนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม (101% IACS) และคุ้มค่าต่อต้นทุน อย่างไรก็ตาม หากการออกแบบบัสแบริ์จำเป็นต้องใช้การเชื่อมหรือการบัดกรีอย่าง extensive C10100 (Oxygen-Free) ถูกแนะนำเพื่อป้องกันการเปราะบางจากไฮโดรเจนและเพื่อให้มั่นใจในความแข็งแรงของข้อต่อ

2. ทำไมจึงควรเลือกใช้การเคลือบผงอีพ็อกซี่แทนท่อหดความร้อนสำหรับบัสแบริ์?

การเคลือบผงอีพ็อกซี่ให้การปกคลุมที่เหนือกว่าในชิ้นงานเรขาคณิตซับซ้อนที่ผ่านกระบวนการตัดขึ้นรูป ซึ่งท่อหดความร้อนอาจเกิดการย่นหรือฉีกขาด มันยึดติดโดยตรงกับทองแดง ทำให้ไม่มีช่องว่างอากาศที่อาจก่อให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วน และยังให้การระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยม ตลอดจนมีความต้านทานเชิงฉนวนสูงในรูปแบบที่บางกว่า

3. การขึ้นรูปโลหะด้วยแรงตัดช่วยลดต้นทุนในการผลิตบัสแบริ์อย่างไร?

การขึ้นรูปโลหะ โดยเฉพาะการใช้แม่พิมพ์แบบโปรเกรสซีฟ ช่วยลดต้นทุนอย่างมากสำหรับการผลิตจำนวนมาก โดยการรวมกระบวนการขึ้นรูปหลายขั้นตอนไว้ในเครื่องจักรเพียงเครื่องเดียว ซึ่งช่วยลดแรงงาน เพิ่มอัตราการผลิต (หลายร้อยชิ้นต่อนาที) และลดของเสียจากวัสดุเมื่อเทียบกับการกลึงหรือตัดแท่งเดี่ยว